thiết kế, chế tạo bộ khởi động mềm điều khiển số

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI NÓI ĐẦU
Trong các ngành công nghiệp, động cơ điện không đồng bộ được sử
dụng phổ biến bởi tính chất đơn giản và tin cậy trong thiết kế chế tạo và sử
dụng. Tuy nhiên khi sử dụng động cơ không đồng bộ trong sản xuất đặc biệt
với các động cơ có công suất lớn ta cần chú ý tới quá trình khởi động động cơ
do khi khởi động roto ở trạng thái ngắn mạch, dẫn đến dòng điện khởi động
và momen khởi động lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể
không khởi động được động cơ hoặc gây nguy hiểm cho các thiết bị khác
trong hệ thống điện. Vấn đề khởi động động cơ điện không đồng bộ dã được
nghiên cứu từ lâu với các biện pháp khá hoàn thiện để giảm dòng điện cũng
và momen khởi động. Trong đó, biện pháp được dùng phổ biển nhất là biện
pháp giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động. Ngày nay, công
nghệ bán dẫn ngày càng phát triển, các thiết bị bán dẫn công suất lớn ngày
càng được sử dụng rộng rãi, với độ tin cậy ngày càng cao, có khả năng điều
khiển tốt. Việc giảm điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động hoàn
toàn có thể được thực hiện một cách dễ dàng bằng việc điều khiển góc mở của
van bán dẫn. Điều chỉnh điện áp như vậy làm cho điện áp tăng lên một cách
từ từ không gây nhảy cấp điện áp, vì vậy nó được gọi là bộ khởi động mềm
cho động cơ.
Với đề tài tốt nghiệp: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ KHỞI ĐỘNG MỀM
ĐIỀU KHIỂN SỐ”, chúng em dã nghiên cứu, sử dụng vi điều khiển để tính
toán phát xung điều khiển tự động điều chỉnh góc mở của van bán dẫn nhằm
thay đổi điện áp trên tải.
Trong ba tháng làm đồ án, chúng em dã nỗ lực cố gắng hoàn thành các
nhiệm vụ của đồ án và chế tạo thành công mạch thử nghiệm của bộ khởi động
mềm điều khiển số.
NGUYỄN THỊ HÀ THU 1 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo
hướng dẫn HÀ XUÂN HÒA cùng các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện –

điện tử, đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.
Do thời gian gấp gáp cộng với kinh nghiệm còn non nớt, chắc chắn đồ
án của chúng em không thể tránh khỏi có sai sót. Chúng em rất mong nhận
được sự chỉ bảo, góp ý từ các thầy cô và các bạn bè động nghiệp.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !
Sinh viên
NGUYỄN THỊ HÀ THU 2 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chương 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP
KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1. Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ
Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha vào cuộn dây stator. Trong lõi sắt
stato của máy điện không đồng sinh một từ trường quay với tốc độ đồng bộ
n
1
= 60f
1
/p, trong đó f
1
là tần số dòng điện lưới đưa vào, p là số đôi cực của
máy, thì từ trường này quét qua dây quấn nhiều pha tự ngắn mạch đặt trên lõi
sắt rotor và cảm ứng trong dây quấn đó suất điện động e
2
và vì dây quấn rotor
được nối ngắn mạch do đó e
2
sẽ sinh ra dòng điện i
2
. Chiều suất điện động và

chiều dòng điện được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Từ thông do dòng
điện i
2
sinh ra hợp với từ thông của stator tạo thành từ thông tổng Φ
o
ở khe hở
không khí. Dòng điện i
2
trong dây quấn rotor tác dụng với từ thông tổng Φ
o
sinh ra lực điện từ trên dây quấn rotor và mômen quay làm cho rotor quay với
tốc độ n. Tốc độ rotor n luôn khác với tốc độ đồng bộ n
1
hay có sự chuyển
động tương đối giữa stato và rotor. Do đó gọi là động cơ không đồng bộ.
Để chỉ phạm vi tốc độ của máy, thường người ta dùng hệ số trượt s.
%100.
n
nn
%s
1
1
−
=
(1.1)
NGUYỄN THỊ HÀ THU 3 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2. Các phương trình cơ bản của động cơ không đồng bộ
- Máy điện không đồng bộ làm việc khi rotor đứng yên














=−
=
′
+
=
′
′′
+
′
−=
+−=
••
•••
••
••
•••
m
2

1
1
ZIE
III
EE
ZIE0
ZIEU
01
021
12
22
11
(1.2)
- Máy điện không đồng bộ làm khi rotor quay
( )













=−
=

′
+
=
′






+
′
′
−
′
−=
++−=
••
•••
••
••
•••
m
2
2
11
ZIE
III
EE
x.j

s
r
IE0
x.jrIEU
01
021
12
22
11
1
(1.3)
Trong đó:
1
U
•
: Điện áp đặt vào stato động cơ.
1
I
•
,
1
E
•
: Dòng điện và suất điện động của stato.
2
I
•
′
,
2

E
•
′
: Dòng điện và suất điện động của rotor đã qui đổi về stator.

0
I
•
: Dòng điện từ hóa của động cơ
Z
1,
x
1
, r
1
: Tổng trở, điện trở và điện kháng tản của dây quấn stator.
NGUYỄN THỊ HÀ THU 4 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Z
’
2,
x
’
2
, r
’
2
: Tổng trở, điện trở và điện kháng tản của dây quấn rotor đã
qui đổi vể stato.
s : Hệ số trượt của động cơ

- Mômem điện từ của máy điện không đồng bộ
( ) ( )
( )
2
,
211
2
,
2111
,
2
2
11
1
dt
xCxs/rCrf2
s/r.p.U.m
P
M
+++π
=
ω
=
(1.4)
Trong đó:
C
1
=
m
1

Z
Z
1+
và
p
f2
1
1
π
=ω
f
1
, p : Tần số của lưới điện và số đôi cực của động cơ.

Hình 1:Đường biểu diễn mômen điện từ và dòng điện theo hệ số trượt
1.3. Quá trình mở máy của động cơ điện không đồng bộ
Trong quá trình mở máy động cơ điện, mômen mở máy là đặc tính chủ
yếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện. Muốn cho máy quay
được thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômen tải tính và
mômen ma sát tĩnh. Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về
mômen:
NGUYỄN THỊ HÀ THU 5 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
M
1,2 1 0,6 0,6 0,4 -0,20,2 -0,4-0,6 -0,8 -1 -1,2
hãm
động cơ điện Máy phát điện
I
1
I
’

2
I
1
I
’
2
M=f(s)
I
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
dt
d
JMMM
JC
ω
==−
(1.5)
Trong đó:
M, M
c
và M
j
là mômem điện từ của động cơ, mômen cản và mômen
quán tính.
J =
g4
GD
2
là hằng số quán tính.
g = 9,81 m/s
2

là gia tốc trọng trường.
G và D là trọng lượng và đường kính rotor.
ω là tốc độ góc của rotor.
Khi đã biết đặc tính cơ của động cơ điện M = f
1
(n) và của tải M
C
= f
2
(n)
thì từ công thức (1.5) ta tìm được quan hệ giữa tốc độ và thời gian n = f(t)
trong quá trình mở máy.
Để quá trình mở máy đảm bảo tăng tốc thuận lợi ta phải giữ
0
dt
d
>
ω
hay
M > M
C
. Như vậy M – M
C
càng lớn thì tốc tăng càng nhanh.
Khi bắt đầu mở máy thì rotor đang đứng yên, hệ số s = 1 nên trị số dòng
mở máy có thể tính được tính theo mạch điện thay thế:
( ) ( )
2
,
211

2
,
211
1
K
x.Cxr.Cr
U
I
+++
=
(1.6)
Do khi mở máy mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống
nên dòng điện mở máy còn lớn hơn so với trị số tính theo công thức (1.6). Ở
điện áp định mức, thường dòng điện mở máy bằng 4 ÷7 lần dòng điện định
mức. Dòng điện quá lớn không những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn
làm cho điện áp lưới giảm sút nhiều, nhất là với những lưới điện công suất
nhỏ.
1.4. Các phương pháp mở máy động cơ không đồng bộ
Theo yêu cầu của sảm xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc
thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và
tình hình của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng
NGUYỄN THỊ HÀ THU 6 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòng điện
mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải
có tính năng mở máy thích ứng.
Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ
điện có tính năg mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy.Ví dụ như
động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc công suất lớn nếu ta mở máy trực tiếp
sẽ làm nứt rotor. Dẫn đến khởi động không tải thì được nhưng khi đóng tải

vào thì máy lại không chạy.
Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản
sau:
1. Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ bản của
tải.
2. Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
3. Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc
chắn.
4. Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.
Những yêu cầ trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi mômen
mở máy lớn thì dòng điện mở máy cũng lớn hoặc thiết bị mở máy đắt tiền. Vì
vậy phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy
thích hợp.
1.4.1. Mở máy trực tiếp động cơ điện rotor lồng sóc
Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất,
chỉ việc đóng trực tiếp động cơ điện vào lưới
điện là được.
Ưu điểm:
- Đây là phương pháp đơn giản.
- Nếu nguồn điện tương đối lớn thì có
thể dùng phương pháp này để mở máy vì
mở máy nhanh và đơn giản.
Nhược điểm:
NGUYỄN THỊ HÀ THU 7 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
L
ATM
RLN
Hình 3: Sơ đồ đóng trực tiếp
động cơ vào lưới điện

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Dòng điện mở máy tương đối lớn.
- Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian mở máy quá dài thì
có thể làm cho máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới .
1.4.2. Hạ điện áp mở máy
Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện mở máy nhưng đồng
thời mômen mở máy cũng giảm xuống. Do đó đối với những tải yêu cầu có
mômen mở máy lớn thì phương pháp này không dùng được. Tuy vậy, đối với
những thiết bị yêu cầu mômen mở máy nhỏ thì phương pháp này rất thích
hợp. Ví dụ: tải quạt gió,bơm,
Hình 3: Đường đặc tính M = f(s) ở các mức điện áp khác nhau
1. Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato
Sơ đồ nối dây như hình 4. Khi mở máy
trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện
kháng. Sau khi mở máy xong bằng cách
đóng tiếp điểm K
1
của công tắc tơ thì điện
kháng này bị nối ngắn mạch. Điều chỉnh trị
số của điện kháng thì có thể có được dòng
điện mở máy cần thiết.
Do có điện áp giáng trên điện kháng
nên diện áp mở máy trên đầu cực động cơ
U
’
K
sẽ nhỏ hơn điện áp lưới. Gọi dòng điện
NGUYỄN THỊ HÀ THU 8 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
M
U

1
U
1
> U
2
U
2
> U
3
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
s
U
L
U
L
ATM
Cuộn
kháng
K
1
RLN
U
’
k I
’
k
Hình 4: Hạ điện áp mở máy bằng
cuộn kháng
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
mở máy và mômen khi mở máy trực tiếp là I

K
và M
K
. Nếu cho rằng khi hạ
điện áp mở máy, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi thì sau khi thêm
điện kháng vào:
Dòng điện mở máy còn lại là : I
’
K
= k.I
K
Điện áp đầu cực động cơ điện là : U
’
K
= k.U
K
Mômen mở máy là : M
’
K
= k
2
.M
K
Trong đó: k < 1.
Ưu điểm:
- Thiết bị khởi động đơn giản
- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu cầu
- Phương pháp này được dùng cho động cơ công suất hạ áp và cao
áp.
Nhược điểm:

- Khi giảm dòng điện khởi động xuống thì mômen mở máy giảm đi
bình phương lần.
2. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy
Sơ đồ nối dây như hình 5. Bên cao áp nối
với lưới điện, bên hạ áp nối với động cơ điện. Sau
khi mở máy xong thì cắt máy biến áp tự ngẫu
(bằng cách đóng tiếp điểm K
2
vào và mở K
1
ra)
Gọi tỷ số biến đổi điện áp của biến áp tự
ngẫu là k
T
(k
T
< 1) thì:
- Điện áp đầu cực động cơ : U
’
k
= k
T
.U
1
- Dòng điện mở máy : I
’
K
= k
T
.I

K
- Mômen mở máy : M
’
K
=
2
T
k
.M
K
Nếu gọi dòng điện lấy từ lưới vào là I
1
(dòng
điện bên sơ cấp máy biến áp tự ngẫu) thì dòng
điện I
1
= k
T
.I
’
K
=
2
T
k
.I
K
Như vậy ta thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới giảm hơn
2
T

k
lần.
NGUYỄN THỊ HÀ THU 9 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
L
ATM
T
K
1
K
2
RLN
I
1
I
’
k
U
’
k
Hình 5: Hạ áp mở máy bằng
biến áp tự ngẫu
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ưu điểm:
- Dòng điện mở máy có thể điều chỉnh được cho phù hợp với yêu
cầu.
- Với dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp
dùng cuộn kháng thì ta có mômen máy lớn hơn.
- Phương pháp này dùng được cho cả động cơ hạ áp,cao áp.
Nhược điểm;

- Mômen mở máy giảm
- Phải đầu tư thêm một máy biến áp tự ngẫu
3. Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y - ∆
Phương pháp mở máy Y - ∆ thích ứng với
những máy khi làm việc bình thường đấu tam
giác. Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện
áp đưa vào hai đầu mỗi pha chỉ có U
1
/
3
. Sau
khi đã chạy rồi, đổi lại thành cách đấu ∆. Sơ đồ
cách đấu dây như hình 6. Khi mở máy thì đóng
ATM, tiếp điểm K
Y
đóng, còn tiếp điểm K
∆
mở,
như vậy máy đấu Y. Khi máy đã chạy rồi thì
đóng tiếp điểm K
∆
, máy đấu ∆
Theo phương pháp Y - ∆ thì khi dây quấn
đấu Y thì ta có:
- Điện áp pha trên dây quấn là : U
kf
=
1
U
3

1
- Dòng điện pha khi mở máy là :
kf
'
kf
I
3
1
I =
NGUYỄN THỊ HÀ THU 10 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
L
ATM
K
∆
RLN
K
Y
Hình 6: Mở máy bằng cách đổi
nối Y - ∆
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Mômen khi mở máy là :
k
'
k
M
3
1
M =
Khi mở máy trực tiếp máy đấu ∆ khi ấy

- Điện áp pha trên dây quấn là : U
kf
= U
1
- Dòng điện pha khi mở máy là :
kfk
I.3I =
Như vậy khi mở máy đấu Y thì:
- Dòng điện pha khi mở máy là : I
1
=
kkf
'
kf
I
3
1
I
3
1
I ==
- Mômen khi mở máy là:
k
'
k
M
3
1
M =
Trường hợp này tương tự như dùng một máy biến áp tự ngẫu mở máy

mà tỷ số biến đổi điện áp k
T
=
3
1
.
Ưu điểm:
- Phương pháp này đơn giản, được áp dụng rộng rãi với những động
cơ điện khi làm việc đấu tam giác.
- Phương pháp này dùng cho động cơ hạ áp.
Nhược điểm:
- Không dùng cho động cơ Y/∆ = 220/380.
- Không điều chỉnh được dòng điện khởi động theo yêu cầu.
4. Mở máy dùng bộ khởi động mềm (bộ điều áp xoay chiều)
Hình 7: Mở máy hạ điện áp bằng bộ điều áp xoay chiều
NGUYỄN THỊ HÀ THU 11 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐC
RLN
ATM
Thyristor
U
L
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Dùng ba cặp thyristor đấu song song ngược như hình 7. Ứng với các góc
mở α khác nhau của các cặp thyristor, điện áp trung bình đặt vào động cơ
giảm nhỏ khác nhau
Ưu điểm:
- Mở máy động cơ dễ dàng bằng cách điều khiển góc mở α lớn để
hạn chế dòng điện mở máy.
- Áp dụng cho tất cả các loại động cơ ở các cấp điện áp khác nhau.

Nhược điểm:
- Bộ khởi động dùng thêm ba cặp thyristor cho nên giá thành tăng.
5. Mở máy dùng biến tần
Ưu điểm:
- Phương pháp mở máy dùng biến tần có thể giảm dòng khởi động
mà mômen khởi động lớn.
- Điện áp ra hình sin, hiệu suất cao
Nhược điểm:
- Sử dụng nhiều thyristor khiến mạch điều khiển phức tạp và đắt.
1.4.3. Mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào rotor
NGUYỄN THỊ HÀ THU 12 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
L
ATM
RLN
R
R
R
K
4
K
3
K
2
K
1
M
4 3
2
1

s
00,20,40,60,81
Hình 8: Sơ đồ nối dây và đặc tính mômen
khi thêm điện trở vào
rotor để mở máy
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Phương pháp này chỉ thích hợp với những động cơ điện rotor dây quấn
vì đặc trưng của loại động cơ điện này là có thể thêm điện trở vào cuộn dây
rotor. Khi điện trở rotor thay đổi thì ta có đường đặc tính M = f(s) như hình 8.
Khi điều chỉnh điện trở mạch điện rotor thích đáng thì sẽ được trạng thái mở
máy lý tưởng (đường 4). Sau khi máy đã quay để duy trì một mômen điện từ
nhất định trong quá trình mở máy ta cắt dần điện trở thêm vào rotor làm cho
quá trình tăng tốc của động cơ điện thay đổi từ đường 4 sang đường 1 và sau
khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ theo đường 1 tăng tốc đến điểm làm việc.
Ưu điểm:
- Dùng cho động cơ rotor dây quấn có thể đạt được mômen mở máy
lớn.
- Dòng điện mở máy nhỏ nên những nơi nào mở máy khó khăn thì
dùng động cơ điện loại này.
Nhược điểm:
- Rotor dây quấn là rotor chế tạo phức tạp hơn rotor lồng sóc nên đắt
hơn. Bảo quản khó hơn, hiệu suất thấp của máy thấp hơn.
- Phương pháp này chỉ áp dụng được cho động cơ không đồng bộ
rotor dây quấn.
- Bảo quản khó hơn, hiệu suất thấp hơn.
- Tổn thất công suất trên điện trở phụ lắp vào rotor.
NGUYỄN THỊ HÀ THU 13 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Chương 2
BỘ ĐIỀU ÁP XOAY CHIỀU

Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều gọi tắt là điều áp xoay chiều thực hiện
biến đổi điện áp xoay chiều về độ lớn và dạng sóng nhưng tần số không thay
đổi. Điều áp xoay chiều thường được ứng dụng trong điều khiển chiếu sáng
và đốt nóng, trong khởi động mềm và điều chỉnh tốc độ quạt gió hoặc máy
bơm
2.1. Bộ điều áp xoay chiều một pha
2.1.1. Các sơ đồ
Hình 9: Sơ đồ điều áp xoay chiều một pha bằng van bán dẫn
1) Hai Thyristor mắc song song ngược. 2) Triac
3) Hai Thyristor và hai Diode. 4) Bốn Diode và một Thyristor
NGUYỄN THỊ HÀ THU 14 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
1
T
1
T
2
Z
1)
U
1
T
Z
2)
U
1
T
1
T
2

D
1
D
2
Z
3)
U
1
D
1
D
2
D
3
D
4
T
Z
4)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Sơ đồ hai Thyristor song song ngược
Có thể điều khiển được với mọi công suất tải. Hiện nay Thyristor được
chế tạo có dòng điện đến 700A thì việc điều khiển xoay chiều đến hàng chục
nghìn ampe hoàn toàn đáp ứng được.
Việc điều khiển hai Thyristor song song ngược đôi khi có chất lượng
điều khiển không tốt lắm, đặc biệt là khi cần điều khiển đối xứng điện áp
(chẳng hạn như biến áp hay động cơ xoay chiều). Khả năng mất đối xứng
điện áp khi điều khiển là do mạch điều khiển Thyristor gây nên sai số (góc
mở ở chu kỳ điện áp dương và âm khác nhau). Tuy vậy đối với dòng điện tải
lớn thì đây là sơ đồ tối ưu hơn cả cho việc lựa chọn.

2. Sơ đồ dùng Triac
Khắc phục được nhược điểm mất đối xứng điện áp của sơ đồ hai
Thyristor mắc song song ngược.
Sơ đồ này có ưu điểm là khi lắp ráp và điện áp ra gần như mong muốn.
Sơ đồ này thường hay dùng trong công nghiệp. Tuy nhiên Triac hiện nay
được chế tạo với dòng điện không lớn (I < 400A), nên với những dòng điện
tải lớn cần phải ghép song song các Triac. Những tải trên 400A thì sơ đồ này
ít dùng.
3. Sơ đồ có hai Thyristor và hai Diode
Sơ đồ này có thể được dùng chỉ để nối các cực điều khiển đơn giản và
khi điện áp nguồn cấp lớn (cần phân bổ điện áp trên các van như việc mắc nối
tiếp các van).
4. Sơ đồ bốn Diode và một Thyristor
Sơ đồ này trước đây thường được dùng khi cần điều khiển đối xứng điện
áp trên tải, vì ở đây chỉ có một Thyristor, một mạch điều khiển nên việc điều
khiển đối xứng điện áp dễ dàng hơn. Tuy nhiên, việc điều khiển theo sơ đồ
này dẫn đến tổn hao trên van bán dẫn lớn làm cho hệ thống làm mát khó khăn
hơn.
NGUYỄN THỊ HÀ THU 15 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
5. Sơ đồ dùng một Thyristor và một Diode
Khi tải không có nhu cầu cao về điều khiển đối xứng nhất là khi điều
khiển các điện trở lò sấy hay đèn sợi đốt người ta có thế sử dụng sơ đồ này để
điều khiển. Tuy nhiên nếu công suất tải lớn sẽ gây mất đối xứng nguồn cấp
làm xấu chất lượng nguồn.
2.1.2. Điều áp xoay chiều một pha tải thuần trở
Hình 10: Dạng đường cong điện áp.
Tại các thời điểm t
1
, t

2
có xung điều khiển T
1
và T
2
, các Thyristor này sẽ
dẫn. Nếu bỏ qua sự sụt áp trên các van bán dẫn thì đồ thị dạng điện áp tải có
dạng như hình vẽ. Dòng điện tải đồng dạng với điện áp tải.
Giá trị hiệu dụng của điện áp tải:

( )
∫∫
ππ
θθ
π
=θ
π
=
2
0
2
1
2
0
2
1d
dsinU2
2
1
du

2
1
U
( )
π
α
+
π
α
−=θθ
π
=
∫
π
α
2
2sin
1UdsinU2
1
U
1
2
1d
(2.1)
Giá trị hiệu dụng dòng điện tải:
π
α
+
π
α

−=
2
2sin
1
R
U
I
1
d
(2.2)
Trong đó:
θ = ωt
u
1
:
giá trị tức thời của điện áp lưới.
NGUYỄN THỊ HÀ THU 16 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
α
α
U
t
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
U
d
, I
d
: giá trị hiệu dụng của điện áp và dòng điện tải.
R : Giá trị điện trở của tải.
α : góc mở của Thyristor.
2.1.3. Điều áp xoay chiều một pha khi tải mang tính trở cảm

Khi tải mang tính trở cảm thì dạng dòng điện và điện áp trên tải sẽ khác
nhau.
Gọi góc lệch pha của tải
R
L
arctg
ω
=ϕ
a) Khi α > ϕ thì dòng điện tải sẽ bị gián đoạn
Hình 11: Sơ đồ đường cong điện áp khi tải
là tải điện cảm, với góc mở α > ϕ.
- Giá trị hiệu dụng của điện áp tải là:
( )
∫∫
ππ
θθ
π
=θ
π
=
2
0
2
1
2
0
2
1d
dsinU2
2

1
du
2
1
U
( ) ( )






θθ+θθ
π
=
∫∫
ϕ
α
ϕ
dsinU2dsinU2
1
U
2
1
0
2
1d
π
α−ϕ
−

π
ϕ−α+π
=
2
2sin2sin
UU
1d
(2.3)
- Nghiệm dòng điện i có biểu thức:
i = i
cb
+ i
td
=






ω
α
−
ϕ−α−ϕ−ω
t
L
R
m1m1
e)sin(
Z

U
)tsin(
Z
U
(2.4)
Trong đó:
NGUYỄN THỊ HÀ THU 17 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
α
ϕ
t
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Z =
( )
2
2
LR ω+
b) Khi α < ϕ
Hình 12: Sơ đồ đường cong điện áp khi tải là tải điện cảm, với góc mở α < ϕ
a) khi xung mở hẹp. b) khi xung mở đủ rộng
Nếu xung mồi hẹp và nhọn.Thyristor T
1
dẫn khi nhận được xung điều
khiển. Phương trình dòng điện theo công thức (2.4). Dòng điện triệt tiêu khi
ωt > π + ϕ, do đó lớn hơn α + π. Xung điều khiển đưa tới T
2
trước khi anod
của T
2
chuyển sang dương do đó T

2
không dẫn. Việc không dẫn của T
2
là do
tại thời điểm mồi xung cuộn dây vẫn đang còn xả năng lượng, do đó U
Ak
< 0.
Nếu xung mồi có độ rộng lớn thì xung điều khiển đưa tới T
2
trước khi
U
AK
> 0 nhưng xung điều khiển có độ rộng đủ lớn nên khi dòng điện T
1
triệt
tiêu, T
2
vẫn còn xung điều khiển nên nó được dẫn khi U
AK
> 0.
Điện áp trên tải sẽ không thay đổi và dòng điện tải sẽ liên tục khi xung
điều khiển có độ rộng đủ lớn.
Nhận xét:
NGUYỄN THỊ HÀ THU 18 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
α
U
U
d
t
ϕ

a)
α
U
ϕ
U
d
t
b)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Khả năng điều chỉnh điện áp chỉ có thể xảy ra khi góc mở Thyristor
nằm trong khoảng ϕ ≤ α ≤ π.
2.2. Bộ điều áp xoay chiều ba pha
2.2.1. Các sơ đồ
Mạch điều áp xoay chiều ba pha hiện nay trong thực tế thường gặp có 3
sơ đồ sau:
Hình 13: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Thyristor mắc song song ngược
1) Tải đấu sao có trung tính. 2) Tải không có dây trung tính
Hình 14: Sơ đồ điều áp xoay chiều ba pha bằng Triac.
1. Tải đấu sao có trung tính
Ưu điểm: Sơ đồ giống hệt ba mạch điều áp một pha điều khiển dịch pha
theo điện áp lưới. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn, vì điện áp đặt
vào van bán dẫn là điện áp pha.
Nhược điểm: Sơ đồ này là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều
hòa bậc cao, khi góc mở các van khác 0 có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ
nối này chỉ thích hợp với tải ba pha có bốn đầu dây ra.
NGUYỄN THỊ HÀ THU 19 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
2)
1)
T
1

T
3
T
6
Z
Z
Z
A
B
C
T
2
T
4
T
5
T
1
T
6
T
2
T
3
T
4
T
5
Z Z Z
A B C

T
1
T
2
T
3
Z
A
B
C
Z Z
T
1
T
2
T
3
Z
A
B
C
Z Z
T
1
T
2
T
3
Z
A

B
C
Z
Z
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2. Tải không có dây trung tính
Dòng điện chạy giữa các pha với nhau, nên đồng thời cấp xung điều
khiển cho hai Thyristor của hai pha một lúc. Việc cấp xung điều khiển như
thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển và việc đổi thứ tự pha nguồn
lưới có thể làm ảnh hưởng tới hoạt động của sơ đồ. Để đảm bảo lượng sóng
hài tối thiểu, các góc mở của Thyristor phải bằng nhau, do đó mỗi van được
mở cách nhau 60°
Với những tải có công suất trung bình các sơ đồ điều áp ba pha bằng các
cặp Thyristor được thay bằng các sơ đồ Triac.
Trong thực tế thường gặp sơ đồ điều áp ba pha tạo nên từ ba nhóm, mỗi
nhóm gồm hai Thyristor nối song song ngược và tải nối sao không dây trung
tính.
Muốn đảo chiều động cơ không đồng bộ cần phải đổi thứ tự pha. Sơ đồ
điều khiển có đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ như hình 15. Khi
chiều quay thuận cấp xung điều khiển cho T
1
, T
2
, T
7
, T
8
, T
9
, T

10
. Các pha lưới
A
1
, B
1
, C
1
được nối tương ứng với các cuộn A, B, C của động cơ. Khi ở chiều
quay ngược ta cấp xung điều khiển cho T
3
, T
4
, T
5
, T
6
, T
9
, T
10
. Các pha lưới A
1
,
B
1
, C
1
được nối tương ứng với các cuộn B, A, C của động cơ.
Hình 15: Sơ đồ điều áp ba pha có đổi thứ tự pha

NGUYỄN THỊ HÀ THU 20 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐC
T
1
T
2
T
3
T
4
T
5
T
7
T
6
T
8
T
9
T
10
A
1
B
1
C
1
A B C
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2.2.2. Bộ điều áp xoay chiều ba pha bằng cặp Thyristor mắc song
song ngược, tải đấu sao không có dây trung tính.
1. Nguyên tắc xây dựng đường cong điện áp trên tải
- Khi cả ba Thyristor của ba pha đều dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ trùng
với điện áp pha của lưới ( U
fT
=

U
a
, U
fT
= U
b
, U
fT
= U
b
).
- Khi chỉ có hai Thyristor dẫn điện thì điện áp trên tải sẽ bằng một nửa
điện áp dây của hai pha mà có hai Thyristor dẫn điện ( U
fT
=
2
1
U
dây
).
- Trên pha đang xét không có van dẫn thì U
fT

= 0.
2. Khi tải mang tính thuần trở
Hình 16: Sơ đồ dạng đường cong điện áp, khi tải thuần trở
NGUYỄN THỊ HÀ THU 21 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
U
ab
/2
U
ac
/2
U
b
U
c
U
a
α = 30°
t
U
dA
a)
U
U
ab
/2
U
ac
/2
U

a
U
b
U
c
U
dA
α = 60°
t
b)
U
U
ab
/2
U
ac
/2
U
a
U
b
U
c
U
dA
α = 120°
t
c)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
và với các giá trị góc mở của pha A là α = 30°, 60°, 120°.

Giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải:
=θ
π
=
∫
π2
0
2
dAdA
du
2
1
U









θ+θ






+θ+θ







+θ
π
=
∫∫∫∫∫
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
t
t
2
a
t
t
2
ac
t
t

2
c
t
t
2
ab
t
t
2
a
dud
2
u
dud
2
u
du
1
Trong đó:
u
a
: Giá trị tức thời của điện áp pha.
u
ab
, u
ac
: Giá trị tức thời của điện áp dây.







π
+θ=
6
sinU3u
mab






π
−θ=
6
sinU3u
mac
Thay các giá trị u
a
, u
ab
, u
ac
ta tính được giá trị hiệu dụng của điện áp pha:













α
−α−
π
π
=
2
2sin
4
3
2
1
UU
mdA
, 0 < α < 60°






α+α+
π

π
= 2cos
4
3
2sin
4
3
34
3
UU
mdA
, 60° < α < 90°






α+α+α−
π
π
= 2cos
4
33
2sin
4
3
3
2
51

2
U
U
m
dA
, 90° < α < 150°
3. Khi tải là tải điện cảm
NGUYỄN THỊ HÀ THU 22 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
U
a
U
b
U
c
U
dA
α
ϕ
t
a)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 17: Sơ đồ đường cong điện áp, khi tải mang tính trở kháng
và các góc mở của pha A là α = 35°, 60°, 120°.
a) Nếu α < ϕ, dòng điện tải và điện áp trên tải sẽ là hình sin vì lúc này
các van đều dẫn điện trong một nửa chu kỳ và bất kỳ lúc nào cũng có ba van
của ba pha dẫn điện.
α: góc mở của pha A (góc mở của ba pha là α
3pha
= α - 30°).







ω
=ϕ
R
L
arctg
.
Điện áp trên tải : u
dA
= u
a
= U
m
sinθ

Dòng điện tải :
θ== sin
Z
U
Z
u
i
a
m
a

da
da

NGUYỄN THỊ HÀ THU 23 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
U
U
ab
/2
U
a
U
b
U
c
U
dA
U
ac
/2
ϕ
α = 60°
t
b)
U
U
ab
/2
U
a
U

b
U
c
U
ac
/2
U
dA
t
α = 120°
c)
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
b) Nếu ϕ < α < α
gh
, α
gh
là giá trị mà vẫn còn tồn tại chế độ cả ba van
thuộc về ba pha vẫn dẫn điện. Trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có ba đoạn u
dA
= u
a
,
hai đoạn còn lại là
2
u
u
ac
dA
=
hoặc

2
u
u
ab
dA
=
và một đoạn u
dA
= 0.
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha:

=θ
π
=
∫
π2
0
2
dAdA
du
2
1
U









θ






+θ+θ






+θ+θ+θ
π
=
∫∫∫∫∫∫
6
5
5
4
4
3
3
2
2
1
1

t
t
2
ab
t
t
2
a
t
t
2
ab
t
t
2
a
t
t
t
0
2
a
d
2
u
dud
2
u
dud.0du
1

Thay các giá trị u
a
, u
ab
, u
ac
ta tính được điện áp hiệu dụng của điện áp
pha:
( ) ( )





+θθ+θθ
π
=
∫∫
π
+ϕ
α
ϕ
3
2
m
0
2
m
2
dA

dsinUdsinU
1
U
( )





θ












π
−θ+
+θθ+θ















π
+θ+
∫
∫∫
π
+α
π
+ϕ
π
+ϕ
π
+α
π
+α
π
+ϕ
3
2
3
2
2

m
3
2
3
2
m
3
3
2
m
d
6
sinU
dsinUd
6
sinU
2
3








α+α+ϕ−
π
+α−ϕ
π

= 2cos
8
3
2sin
2
1
2sin
8
3
34
1
4
31
UU
mdA
Góc giới hạn:
ϕ+








−=α
ϕ
π
−
2

1
e
3
2
arctg
tg3
gh
NGUYỄN THỊ HÀ THU 24 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
c) Khi α
gh
< α < 150°. Trong mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai van của hai pha
dẫn điện, mỗi nửa chu kỳ sẽ có hai đoạn mà
2
U
U
AB
dA
=
hoặc
2
U
U
AC
dA
=
.
Góc điều khiển lớn nhất là α
max
= 150°.

2.3. Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều động cơ không đồng bộ rotor lông sóc
Do tải là động cơ không đồng bộ ba pha đấu sao không có dây trung tính
cho nên trong thực tế thường dùng sơ đồ sau:
Hình 18: Sơ đồ bộ điều áp xoay chiều động cơ không đồng bộ
2.4. Nguyên lý hoạt động của mạch động lực
Giả sử các cuộn dây của động cơ đối xứng. Xét đường con điện áp trên
pha A, khi góc mở α
phaA
= 60° (hình 17a).
Tại thời điểm t
1
(α
phaA
= 60°) pha A dương nhất, pha B âm nhất phát xung
X
1
để điều khiển T
1
, đồng thời phát xung đệm X
1-4
cho T
4
(xung mở thứ hai
của T
4
), T
1
và T
4
cùng dẫn, lúc này pha C đang dẫn do cuộn dây đang xả năng

lượng nên T
5
dẫn cho đến thời điểm t
’
1
. Do đó điện áp trên tải sẽ trùng với
điện áp pha A (u
dA
= u
a
). Tại t
’
1
, chỉ còn T
1
và T
4
dẫn đến thời t
2
, điện áp trên
tải bằng ½ điện áp dây u
ab
(u
dA
= ½ u
ab
).
Đến thời điểm t
2
, pha A vẫn đang dương nhất, pha C âm nhất, phát xung

đệm X
1-6
cho T
1
(xung mở thứ hai của T
1
) và xung chính X
6
để mở T
6
, pha B
đang dẫn do cuộn dây đang xả năng lượng nên T
4
dẫn đến thời điểm t
’
2
. Điện
NGUYỄN THỊ HÀ THU 25 Thiết bị điện- điện tử 3 – k49
T
1
T
2
T
3
T
4
T
5
T
6

B
C
A
ĐC